Ko celica postane stroj
Postaviti minimalno definicijo življenja je težje, kot se morda zdi. A očitno je, da mora vsaka definicija postaviti jasno ločnico med živim in neživim. Življenje skratka ni neživo. Življenje je nekaj gibljivega, organskega in rastočega, tisto neživo pa je mrtvo in statično. Življenje tako na prvi pogled deluje kot harmonična celota, ki je kot taka več kot le skupek njenih sestavnih delov.
Ko pa začnemo posamezno živo bitje razstavljati na njegove sestavne dele, se začnejo gradniki živega vse bolj kazati kot neživa narava, ki ji življenje stoji nasproti. Če stopimo na nivo gradnikov, ki gradijo vse celice na Zemlji, pridemo do preprostih molekul, kot so sladkorji in proteini. Gledano z zelo natančnim elektronskim mikroskopom, se življenje tako ne kaže več nujno kot harmonična celota, temveč kot kompleksen stroj, zgrajen iz nešteto majhnih sestavnih delov. Primerjali bi ga celo lahko z zelo sofisticiranim računalnikom.
V tokratni oddaji Znanstvene redakcije se bomo posvetili razmeroma mladi znanstveni veji, ki pristopa k raziskovanju celice podobno kot k sestavljanju računalnika – sintezni biologiji.
Obstaja več definicij oziroma opisov, kaj sploh je sintezna biologija. Ena od definicij pravi, da sintezna biologija uporablja inženirska načela za načrtovanje in sestavljanje bioloških delov. V zadnjem času se je pojavil tudi opis, da je sintezna biologija umetno načrtovanje in inženirstvo bioloških sistemov in živih organizmov z namenom njihovega izboljšanja za uporabo v industriji ali raziskovanju. Kot umetno je v tem kontekstu mišljeno tisto, kar je naredil človek in kar ni bilo že prej prisotno v naravi.
Sintezni biologi in biologinje imajo dva glavna cilja. Eni želijo z uporabo novih, v laboratoriju sintetiziranih molekul ustvariti umetno življenje. Drugi pa iščejo že obstoječe molekule v naravi in jih sestavljajo skupaj v sisteme, ki imajo nove, drugače lastnosti.
Same definicije in opisi nam verjetno ne povedo prav veliko. V nadaljevanju oddaje bomo zato spoznali nekaj osnovnih konceptov sintezne biologije ter nato še primere, kaj je sinteznim biologom in biologinjam že uspelo ustvariti, s čimer upamo, da bomo približali in razjasnili to področje. V zadnjem delu oddaje bomo predstavili, kaj sintezna biologija obeta v prihodnosti in kakšna etična vprašanja odpira.
Ampak začnimo na začetku. Sintezna biologija je verjetno vzniknila na pragu prejšnjega desetletja v poletnih študentskih šolah na ameriški univerzi MIT. Študenti in študentke so sestavljali skupaj genske elemente in jih vstavljali v celice, da bi preverili, ali se te obnašajo, kot so si zamislili. Poletne šole so sčasoma prerasle v mednarodno sinteznobiološko tekmovanje iGEM, sočasno pa se je sintezna biologija razvijala tudi v resnih znanstvenih laboratorijih. Pravzaprav je bilo ključno, da je prišlo do premika paradigme, o čemer nam več pove eden od pionirjev sintezne biologije, profesor Ron Weiss z MIT-ja.
Sintezna biologija je veda na presečišču biologije in inženirstva. Kaj je v sintezni biologiji biološkega in kaj inženirskega, nam pojasni izredni profesor Marko Dolinar z ljubljanske Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo.
Zaradi inženirskega pristopa je tudi veliko izrazoslovja vzetega iz tehniških ved. Tako so celice, v katerih delujejo sinteznobiološke naprave, poimenovane kar šasìje. Šasìja v računalništvu označuje plastično oziroma kovinsko ohišje računalnika. Po anologiji iz avtomobilske industrije šasìja označuje ogrodje avtomobila. Preden predstavimo nekaj konkretnih primerov sinteznobioloških naprav in sistemov, pa razjasnimo osnovne molekularnobiološke in sinteznobiološke pojme.
V celici so vse informacije shranjene v molekuli deoksiribonukleinske kisline ali krajše DNK. DNK si lahko predstavljamo kot zelo dolgo besedo, sestavljeno iz štirih različnih črk, imenovanih nukleotidi, in sicer: adenin, timin, citozin in gvanin. Informacije so tako v njej zapisane v določenem nukleotidnem zaporedju, to je v vrstnem redu, kakor si ti nukleotidi oziroma črke sledijo.
Posamezni odsek DNK z informacijo o določeni biološki funkciji imenujemo gen. Geni zapisujejo za lastnosti organizma, kot je denimo barva las, in so osnovne enote dedovanja. Po drugi strani pa izraz genom označuje celoto vseh molekul DNK v organizmu. In večino genoma ne predstavljajo geni, torej odseki z biološko funkcijo, pač pa tako imenovano nekodirajoče zaporedje. Za slednjega smo dolgo mislili, da je povsem odvečno in da nima nobene pomembne vloge - zato je bil znotraj znanstvene skupnosti zavajajoče oklican za junk DNA. Sedaj pa vse bolj ugotavljamo, da ima to nekodirajoče zaporedje velik pomen pri nadzoru izražanja genov.
Prenos informacij, zapisanih v genih, lahko na splošno ponazorimo s procesom snemanja filma. Le da je na celičnem nivoju končni produkt protein in ne celovečerni film. V oddaji bomo kot primer proteina vzeli keratin, ki je v naših laseh in koži. Torej, molekulo DNK si lahko predstavljamo kot scenarij, v katerem je zapisan celotni potek izdelave keratina. Poleg DNK so v celici prisotne tudi molekule ribonukleinske kisline, krajše imenovane RNK. Molekule RNK imajo vlogo producentov, ki poskrbijo, da se bo informacija za keratin, zapisana v DNK-scenariju, tudi uresničila.
Zapisana informacija se nato s pomočjo RNK prevede iz nukleotidnega zaporedja v aminokislinsko zaporedje keratina. Proteini so namreč podobno kot DNK sestavljeni iz zaporedja, ki pa ni niz nukleotidov, temveč gre za zaporedje aminokislin. Prav proteini imajo v celici vlogo igralcev, ki v njej odigrajo vse vloge.
Odsek zaporedja DNK, ki zapisuje za neko biološko funkcijo, kot denimo za keratin, v sintezni biologiji imenujemo biološki del. Osnovni biološki deli imajo namreč samo eno funkcijo in jih ni mogoče razdeliti na manjše funkcionalne enote. Sintezni biologi in biologinje pa jih sestavljajo skupaj v sestavljene dele. Več o bioloških delih in njihovem sestavljanju nam pove doktor Dolinar.
Z namenom, da bi imeli na voljo zbirko bioloških delov oziroma biokock, ki bi jih lahko nadalje sestavljali v naprave in sisteme, je bil ustanovljen Register standardnih bioloških delov. Več o registru nam pove doktor Marko Dolinar z ljubljanske Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo.
Kot že omenjeno, sintezni biologi in biologinje sestavljajo biokocke v raznorazne sisteme in naprave, ki lahko počnejo marsikaj. Lahko denimo proizvajajo biogoriva ali zasvetijo ob prisotnosti določene molekule. V nadaljevanju oddaje bomo spoznali, kako pravzaprav poteka sestavljanje osnovnih delov, da lahko dobimo kompleksnejše sinteznobiološke naprave. Predstavili bomo tudi nekaj primerov naprav oziroma sistemov. Ostanite z nami na 89,3 MHz.
Spremljate oddajo znanstvene redakcije Radia Študent Frequenza della Scienza na frekvenci 89,3 MHz. Tema današnje oddaje je sintezna biologija. Seznanili smo se že z osnovnimi sinteznobiološkimi pojmi, zdaj pa se bomo posvetili še praktičnim vidikom. Spoznali bomo, kako poteka sestavljanje biokock in vnašanje sistemov v celice oziroma šasìje.
Spomnimo se, da so biokocke odseki DNK z določeno vlogo pri izražanju proteinov, molekulo DNK pa sestavljajo gradniki, imenovani nukleotidi. Pri sestavljanju biokock znanstvenice in znanstveniki uporabljajo restrikcijske encime, encime ligaze ter plazmide. Restrikcijski encimi, na kratko restriktaze, delujejo kot nekakšne škarje, s katerimi prerežejo molekulo DNK, kot bi prerezali filmski trak. So specifični encimi, kar pomeni, da prepoznajo določeno nukleotidno zaporedje, običajno dolgo okoli 6 nukleotidov, in na tem mestu režejo. Kasneje razrezano DNK znova zlepijo z uporabo encimov druge vrste, imenovanih ligaze.
Plazmidi so krožne molekule DNK, ki so naravno prisotne v bakterijah. Bakterije si jih med seboj lahko izmenjujejo in običajno vsebujejo gene, ki jim omogočajo odpornost proti antibiotikom. V sintezni biologiji in drugih vejah biologije se plazmidi uporabljajo kot orodje za vnos tuje DNK v celice.
Plazmid lahko torej z restriktazo na specifičnem mestu prerežemo in iz krožne molekule dobimo linearno. Nato plazmidu dodamo neki novi košček DNK - v našem primeru denimo biokocko z zapisom za keratin. Tudi ta košček DNK mora vsebovati enako restrikcijsko mesto, da se lahko konca plazmida s konci inserta združita kot koščka sestavljanke. Nato uporabimo še ligazo, ki konce poveže skupaj, in molekula plazmida je spet krožna. Postopek po potrebi večkrat ponovimo in na tak način nizamo biokocke, ki si morajo slediti v pravilnem vrstnem redu. Kot nam pove doktor Marko Dolinar s Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo, pa danes že obstajajo tudi roboti, ki sami sestavljajo biokocke.
Na tak način poteka sestavljanje osnovnih funkcionanih enot v sinteznobiološke naprave oziroma sisteme. V nasprotju z molekularnimi biologi so se sintezni biologi lotili reševanja problemov na inženirski način. Ponovno doktor Dolinar.
Ko smo v plazmid vnesli vse potrebne osnovne dele, je ta pripravljen za vnos v celico oziroma šasìjo. Za boljšo ponazoritev bomo opisali postopek vnosa DNK v bakterijo E. coli. Sam proces prenosa plazmidne DNK v celico imenujemo transformacija. V osnovi gre za to, da bodisi s toplotnim šokom bodisi z električnim sunkom za kratek čas povečamo prepustnost celičnih membran in na tak način plazmidni DNK omogočimo vstop v celice. Ko je plazmid v celici, se lahko začnejo izražati geni, ki jih vsebuje, denimo predhodno sestavljene biokocke. Tujo DNK se da na podobne in drugačne načine vnašati tudi v živalske in rastlinske celice.
V celicah lahko tako na primer izražamo encime za uporabo v industriji in proizvajamo biološka zdravila. Vendar metode genskega inženirstva same po sebi še niso sintezna biologija. Kako se sintezna biologija razlikuje od klasične molekularne biologije, nam pojasni vodja laboratorija za sistemsko biologijo in imunologijo Kemijskega inštituta v Ljubljani, profesor doktor Roman Jerala:
Sintezni biologi in biologinje so sestavili že tudi sisteme, ki v celicah delujejo kot logična vrata. Logična vrata so elektronski elementi, ki opravljajo preproste logične funkcije in so osnovni gradniki vezij v računalnikih. Obstaja več različnih logičnih vrat, doktor Marko Dolinar pa nam predstavi celični sistem, ekvivalenten logičnim vratom NE.
Uporaba celic za izvajanje logičnih operacij sicer zveni obetavno, a v praksi za zdaj še ni povsem izvedljiva. Čeprav se pri razlaganju bioloških procesov zatekamo k primerjavam z elektroniko, so prenosi signala in izvajanje funkcij v celicah mnogo manj zanesljivi. Pri električnih vezjih signal potuje kot električni tok po izoliranih kablih od izvora do cilja. V takšnem zaprtem okolju obstaja malo verjetnosti, da bo signal na poti zmotilo nekaj, zaradi česar bi spremenil pot ali preskočil z enega kabla na drugega.
Okolje znotraj celice pa je nasprotno odprto okolje. Procesi v celicah se ne dogajajo samostojno v določenem predelu, ampak potekajo v istem prostoru med množico drugih celičnih procesov. Neredko se zgodi, da celični procesi med sabo sodelujejo, se dopolnjujejo ali pa ovirajo drug drugega. Ko v celicah spremenimo metabolno pot, zato ne vplivamo zgolj na želeno pot, ampak hkrati vplivamo tudi na druge procese. Odziv na vhodni signal zato nikoli ni stoodstoten kot v primeru elektronskega vezja, kjer signal enostavno je ali ga ni.
V sintezni biologiji se zato pri ustvarjanju bioloških sistemov pogosto govori o ortogonalnosti oziroma stanju, kjer v sistemu ne prihaja do neželenih interakcij. Pogoj vsakega dobrega vezja znotraj celice je tako visoka ortogonalnost oziroma malo motečih dejavnikov, ki pa so v celicah vedno, do določene mere, prisotni.
Do danes je sinteznim biologom in biologinjam kljub težavam že uspelo ustvariti nekatere sestavne dele bioloških sistemov z dovolj zanesljivim delovanjem za uporabo. Eden prvih pomembnih uspehov uporabe sintezne biologije je bila vgraditev metabolne poti za sintezo zdravila artemizinin v bakterije. Artemizinin se naravno tvori v vrsti rastline enoletni pelin, ki se v kitajski medicini uporablja že več tisočletij. Šele v sedemdesetih letih dvajsetega stoletja so raziskovalci in raziskovalke odkrili, da artemizinin lahko uporabljamo kot zdravilo proti malariji.
Vendar je pridobivanje zdravila iz enoletnega pelina počasen proces, saj mora rastlina rasti vsaj 8 mesecev, preden lahko iz nje izoliramo artemizinin. Poleg tega je pridelek rastlin povsem odvisen od vremenskih razmer, zaradi česar proizvodnja iz leta v leto niha. S prenosom metabolne poti v mikroorganizme nam bi uspelo proizvodnjo artemizinina močno pospešiti, saj bakterije rastejo mnogo hitreje kot rastline.
Prenos metabolne poti iz rastline v bakterijo se morda sliši trivialno, vendar ga nikakor ni enostavno izvesti. Okolji znotraj bakterijske in rastlinske celice sta si namreč med sabo močno različni, zaradi česar je treba zgradbo encimov, ki sestavljajo metabolno pot, in njihovo izražanje primerno prilagoditi. Brez teh nujnih sprememb bi bil prenešen biološki proces praktično neaktiven. Podrobneje razloži profesor Roman Jerala s Kemijskega inštituta v Ljubljani:
Šele po številnih poskusih so raziskovalci in raziskovalke leta 2006 uspešno prenesli metabolno pot iz rastline v bakterije ter kvasovke. Uspeh takšnih in podobnih raziskav pa ni zgolj v povečanju proizvodnje določene dobrine. S poskušanjem razrešitve problemov, ki se pojavijo pri vzpostavljanju celotnih procesov, znanstveniki in znanstvenice ne izboljšujejo zgolj tehnike dela, temveč poglabljajo razumevanje samih bioloških sistemov.
Sintezna biologija je zaradi tega zelo učinkovito orodje za boljše razumevanje temeljnih celičnih procesov, kot nam pove profesor Jerala:
Z razvojem sintezne biologije se nam zato sočasno z aplikativnimi inovacijami obeta poglobitev znanja temeljnih bioloških ved. Dodatno znanje o delovanju genov in proteinov hkrati prinaša možnost izboljšanja že obstoječih celičnih procesov.
Za primer izboljšave naravno prisotnih celičnih poti si lahko pogledamo imunoterapijo raka. V našem telesu prisotne bele krvničke imunskega sistema normalno težko ločijo zdrave celice od rakastih celic, zaradi česar tudi ne napadejo rakastega tkiva. Z uporabo sintezne biologije pa se je ponudila možnost, da spremenimo vrsto belih krvničk, celice T, tako, da bi te začele napadati rakaste celice, a pustile pri miru zdrave. Uporabo sintezne biologije pri imunoterapiji raka nam opiše profesor Jerala:
Nadaljnji razvoj tehnologij, ki bodo olajšale gensko manipulacijo ter pospešile analizo celičnih procesov, bo vse bolj širil možnosti sintezne biologije. Iz manipulacij nekaterih genov smo zdaj prestopili na sočasno vzpostavljanje več celičnih procesov, ki vsebujejo po nekaj 10 genov. V prihodnosti si tako lahko obetamo organizme z vse več sintetičnimi geni ali celo celotnimi genomi.
V nadaljevanju oddaje se bomo tako ozrli v prihodnost sintezne biologije. Čeprav gre za relativno mlado vejo biološke znanosti, so, kot bomo videli, obeti in tudi širše družbene implikacije njenega nadaljnega razvoja neizmerni. Vabljeni k poslušanju.
Vmesni komad - Savoj truffle - Beatles
Na 89,3MHz nadaljujemo oddajo Znanstvene redakcije Radia Študent o sintezni biologiji, ki je pogosto imenovana tudi biologija prihodnosti. Pustimo torej trenutno stanje sintezne biologije za nekaj časa ob strani in si za konec poglejmo, kaj se nam obeta v prihodnosti. Poskusili bomo odgovoriti na vprašanje o tem, kaj so obljube sintezne biologije in kakšne implikacije vsebuje njihova izpolnitev. Širše cilje sintezne biologije je za nas povzel profesor Roman Jerala s Kemijskega inštituta v Ljubljani.
Morebitne aplikacije sintezne biologije so neštete in danes v večji meri povsem nepredstavljive. Strokovnjaki tako že razmišljajo o uporabi sintetičnih organizmov za najrazličnejše namene, vse od zdravljenja raka in produkcije biomaterialov do čiščenja oceanov. Precej priljubljena pa je tudi ideja uporabe sintetičnih organizmov v boju proti podnebnim spremembam. Več o tem in o nekaterih drugih aplikacijah nam pove profesor biološkega inženirstva Ron Weiss z bostonskega MIT-a.
Kakor pri vsakem večjem tehnološkem napredku se z razvojem sintezne biologije in njeno vse večjo dostopnostjo odpirajo novi problemi in etična vprašanja. Vzporednice lahko na primer povlečemo z jedrsko revolucijo, ko smo s cepitvijo atoma prišli do neizmernih količin energije in obenem ustvarili atomske bombe. Obstaja namreč bojazen, da bi ljudje tudi metode sintezne biologije, z vsemi njenimi potenciali, namesto za ohranjanje življenja uporabili za njegovo uničenje. Tehnologija, o kateri govorimo, obljublja namreč ustvarjanje kakršnih koli organizmov, torej tudi po meri narejenih povzročiteljev bolezni.
Velik del političnega diskurza o varnosti uporabe sintezne biologije se je vrtel okoli ene izmed njenih posebnosti, in sicer pojava tako imenovanih DIY oziroma laboratorijev naredi sam. S prihodom novih tehnologij, kot so CRISPR/Cas9, postaja spreminjanje genomov različnih organizmov namreč vse lažje in vse cenejše. Tako se je začela selitev raziskovalne dejavnosti iz strogo nadzorovanih institucionalnih laboratorijev v domove in garaže amaterskih znanstvenikov in znanstvenic.
Domače laboratorije je inherentno teže nadzirati, saj jim večinoma manjka notranji nadzor, ki je prisoten v uradnih institucijah. Situacija je toliko bolj problematična v ZDA, kjer so DIY-laboratoriji podvrženi tudi manjšemu zunanjemu nadzoru kot v Evropi. O tem, kako realna je grožnja razvoja bioterorizma znotraj DIY-laboratorijev, nam je več povedal Ron Weiss s tehnološkega inštituta v Massachusettsu.
Če vas zanima več o bioterorizmu, ste vabljeni k poslušanju naše oddaje Umor z bakterijo.
Izpust nekega gensko spremenjenega organizma v okolje je lahko zelo nevaren, tudi če ne povzroča bolezni. Tuji organizem lahko namreč ob izpustitvi v okolje podre ekološko ravnovesje. Zato želijo tako amaterski kot tudi profesionalni znanstveniki in znastvenice čim bolj omejiti pretok genov med naravno prisotnimi in gensko spremenjenimi organizmi ter strogo nadzirati njihovo širjenje. Iz tega razloga se velik del raziskav znotraj sintezne biologije ukvarja z ustvarjanjem tako imenovanih genskih varnostnih ključavnic in požarnih zidov. Znanstveni pogled na problematiko nam pojasni doktor Ron Weiss z MIT-a.
Po mnenju evropske komisije naj bi bili trenutni varnostni sistemi sicer dovolj dobri. Z vse večjo željo po uporabi gensko spremenjenih organizmov zunaj laboratorijev pa se bo to v prihodnosti verjetno spreminjalo. Kot smo že omenili, znanstveniki in znanstvenice že zdaj načrtujejo uporabo sinteznih organizmov kot biosenzorjev in čistilcev odpadnih ter strupenih materialov v okolju. Za take dejavnosti pa je izpopolnitev prej omenjenih varnostnih sistemov nujen prvi pogoj.
Vrnimo se v sedanjost in poskusimo oceniti, kako daleč v svojem razvoju je sintezna biologija. V razlagah sintezne biologije pogosto uporabljamo analogije z računalniškimi sistemi, saj gre v osnovi za željo programiranja genskega koda različnih organizmov po lastni volji. Iz istega razloga se denimo amaterski raziskovalci na tem področju imenujejo biohekerji, prej omenjeni varnostni sistemi pa genski požarni zidovi.
Vendar pa obstaja med sintezno biologijo in računalništvom velik razkorak. Računalniške programske jezike smo namreč napisali ljudje, zato imamo nad njimi popolno oblast. Programski jezik sintezne biologije, genski kod, pa je ustvarila evolucija. Vse skupaj še dodatno zaplete dejstvo, da se pravila tega biološkega programskega jezika, predvsem pa njegovi osnovni gradniki, geni, spreminjajo od organizma do organizma. Uresničitev vizij sintezne biologije je torej povsem pogojena z napredkom v drugih vejah biologije, denimo biologije sistemov. Šele te bodo poglobile naše razumevanje genov, njihovih produktov, proteinov, ter njihovega medsebojnega delovanja.
Trenutno smo torej na samem začetku spoznavanja biološkega programskega jezika. Če se profesionalni znanstveniki in znanstvenice ukvarjajo z izvedbo najpreprostejših ukazov, kar bi lahko vzporejali s pogramiranjem računalniške igrice pong, potem se prej omenjeni biohekerji trenutno učijo uporabljati tipkovnico. Izpolnitev vizije o popolni avtomatizaciji ustvarjanja umetnih organizmov po naši volji je tako vse prej kot na dosegu.
V petek od polnoči bomo v nočnem programu Znanstvene redakcije ugotavljali, koliko je še neznanega v že obstoječih, naravnih sistemih, kot so na primer človeški možgani. Z doktorjem Jernejem Uletom, vodjo laboratorija na Inštitutu Francisa Cricka in Univerzitetnem kolidžu v Londonu, bomo govorili o svetu molekul RNK, molekulskem ozadju nevrodegenerativnih bolezni, raziskovanju v postbrexit Angliji in še čem. Vabljeni k poslušanju.
Programski jezik celice so si pogledali Arne, Angelika, vajenec Atila ter vajenka Barbara.
Urednikovala je Teja.
Brala sta Petra in Rasto.
Tehniciral je Blaž.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj